JP2008303774A - ダイヤフラムポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】ダイヤフラムと、このダイヤフラムを挟着して該ダイヤフラムの上下に空気室と可変圧力室を構成するアッパハウジング及びロアハウジングとを有し、該ダイヤフラムを振動させてポンプ作用を得るダイヤフラムポンプにおいて、空気室側の環状シール部材が不要で、かつダイヤフラムの変形を阻害することがないダイヤフラムポンプを得る。
【解決手段】ロアハウジングに、平面円形のダイヤフラムを嵌める円形凹部と、この円形凹部の周縁に位置する環状溝とを形成し、アッパハウジングに、環状溝と同一の中心と径を有し、ロアハウジングの上記円形凹部に嵌めたダイヤフラムに対し、環状溝に嵌めたＯリングの反対側において環状に接触する環状突起を形成したダイヤフラムポンプ。
【選択図】 図３

Description

本発明は、振動するダイヤフラムによってポンプ作用を得るダイヤフラムポンプに関する。

ダイヤフラムポンプの一形態として、圧電振動子の上下の一方にポンプ作用を行わせる可変容積室を形成し、他方にポンプ作用を行わせない空気室を形成した圧電ポンプが知られている。可変容積室に連なる一対の流路には、流れ方向の異なる一対の逆止弁（可変容積室への流体流を許す逆止弁と可変容積室からの流体流を許す逆止弁）を設けており、圧電振動子の振動により可変容積室の容積が変化すると、それに伴い一対の逆止弁の一方が閉じ他方が開く動作を繰り返すことから、ポンプ作用が得られる。
特開2004-353493号公報 特開2006-207436号公報

この圧電ポンプでは、圧電振動子（ダイヤフラム）回り、特にポンプ室側の液密（気密）構造を確保するため従来、圧電振動子の表裏にそれぞれ弾性材料からなる支持筐体やユニット本体といった環状のシール部材を設けていた。すなわち、ダイヤフラムの表側の周縁部とアッパハウジングの間、及びダイヤフラムの裏側の周縁部とロアハウジングの間にそれぞれ環状シール部材を介在させており、ダイヤフラム表裏に環状シール部材を設けることが技術的に必須であると考えられていた。しかし、本発明者らの解析によれば、ダイヤフラムの表裏の一方をポンプ作用に関与しない空気室とするタイプのダイヤフラムポンプでは、表裏の双方に環状シール部材を設ける必要はなく、むしろ、空気室側の環状シール部材がダイヤフラムの変形（振動）を阻害する要因になっていることが分かった。

本発明者らは、空気室側の環状シール部材に代えて、空気室側のアッパハウジングに、可変圧力室側のＯリングを挟んでダイヤフラムに環状に接触する環状突起を一体に形成すれば、十分なシール性が得られ、かつダイヤフラムの変形を阻害することがないとの結論に至って本発明を完成したものである。

本発明は、ダイヤフラムと、このダイヤフラムを挟着して該ダイヤフラムの上下に空気室と可変圧力室を構成するアッパハウジング及びロアハウジングとを有し、該ダイヤフラムを振動させてポンプ作用を得るダイヤフラムポンプにおいて、ロアハウジングに、平面円形のダイヤフラムを嵌める円形凹部と、この円形凹部の周縁に位置する環状溝とを形成し、アッパハウジングに、環状溝と同一の中心と径を有し、ロアハウジングの上記円形凹部に嵌めたダイヤフラムに対し、環状溝に嵌めたＯリングの反対側において環状に接触する環状突起を形成したことを特徴としている。

環状突起の先端部断面は、半円形または三角形状とすることが実際的である。

ダイヤフラムは、具体的には例えば、圧電振動子とすることができる。より具体的には、導電性金属薄板からなるシムの空気室側に圧電体層を積層したユニモルフ型圧電振動子を用いることができる。そして、この圧電体層の径を、アッパハウジングの環状突起の径より小径とし、該環状突起とＯリングをシムの表裏に接触させることが好ましい。

本発明によれば、従来必須と考えられていたダイヤフラム表裏の環状シール部材のうち、空気室側の環状シール部材を省略することができ、省略しても液密性（気密性）に遜色がない。加えて、空気室側の環状シール部材によるダイヤフラムの変形阻害が生じないので、ポンプ性能を高めることができる。

図１ないし図３は、本発明を圧電ポンプに適用した一実施形態を示している。本圧電ポンプ１００は、平面円形の圧電振動子１０、アッパハウジング（上蓋）２０、ロアハウジング３０、駆動基板４０及び下蓋５０を備えている。ロアハウジング３０には、圧電振動子１０を受け入れる円形凹部３１が形成されており、この円形凹部３１の周縁にはＯリング収納用環状溝３１ａが形成されている。一方、アッパハウジング２０には、その圧電振動子１０側の面に、環状溝３１ａと同一中心で同一径Ｄの環状突起２１ａが一体に成形されている。環状突起２１ａの先端部は、図示例では、略半円状をなしている。アッパハウジング２０とロアハウジング３０は、硬質の樹脂材料（例えばＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド）樹脂）から形成されている。

圧電振動子１０は、シム１０ａと圧電体１０ｂとを積層したユニモルフタイプである。シム１０ａは、導電性の金属薄板材料、例えば厚さ５０μｍ程度のステンレス、４２アロイ等の薄板からなっている。圧電体１０ｂは、例えば厚さ５０〜３００μｍ程度のＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ₃）等の圧電材料から構成されるもので、その表裏方向に分極処理が施されている。圧電体１０ｂは、その表裏間に、この分極方向と同一方向または逆方向の正負極性を与えると一方の表面積が拡大し他方の表面積が縮小する性質がある。このため、圧電体の表裏に与える正負極性を交互に反転させると、表裏の一方が伸びて他方が縮むサイクルが繰り返され、シムが振動する。

図３に示すように、アッパハウジング２０の環状突起２１ａの平面径（中心径）Ｄは、圧電振動子１０のシム１０ａの径ｄ１より小径で、圧電体１０ｂの径ｄ２より大径に設定されている。円形凹部３１の環状溝３１ａには、例えばＥＰＤＭ（エチレン・プロピレンゴム）等弾性に富んだゴムにより形成されたＯリング１２が挿入され、円形凹部３１内には、圧電体１０ｂをアッパハウジング２０側に向け、シム１０ａをロアハウジング３０側に向けて圧電振動子１０が収納される。このようにロアハウジング３０側にＯリング１２と圧電振動子１０を収納した状態で、アッパハウジング２０をロアハウジング３０に被せて圧電振動子１０を挟着保持すると、圧電振動子１０の周縁裏面にはＯリング１２が接触し表面には環状突起２１ａが接触し、Ｏリング１２が圧縮されて、圧電振動子１０の下方に可変圧力室（ポンプ室）Ｐが構成され、上方に空気室（大気室）Ａが構成される。圧電体１０ｂを空気室Ａ側に配置することで、圧電体１０ｂが液体に接触する可能性をなくし、耐久性を向上させることができる。さらに、アッパハウジング２０の環状突起２１ａの頂部とＯリング１２の頂部は圧電振動子１０の表裏を一致した点にて挟着保持するのが好ましい。このような構成とすることで、圧電振動子１０がアッパハウジング２０とＯリング１２とで一致した点にて保持することとなるため、圧電振動子１０の振動が安定する。

ロアハウジング３０には、円形凹部３１内に、該円形凹部３１の平面中心に対する偏心対称位置に位置させて、吸入側液溜室３２と吐出側液溜室３３が形成されている。また、ロアハウジング３０には、この吸入側液溜室３２と吐出側液溜室３３に連通する吸入ポート３４と吐出ポート３５が形成されている。吸入ポート３４と吐出ポート３５は、互いに平行をなしていて、ロアハウジング３０の一つの側面から突出している。３４ａと３５ａは、吸入ポート３４と吐出ポート３５の吸入側液溜室３２と吐出側液溜室３３に対する開口端であり、圧電振動子１０（円形凹部３１）の中心から離れた側に偏心させて、吸入側液溜室３２と吐出側液溜室３３に開口している。

この吸入側液溜室３２とポンプ室Ｐ、吐出側液溜室３３とポンプ室Ｐとの間にはそれぞれ、吸入側アンブレラ（吸入側逆止弁）３６と吐出側アンブレラ（吐出側逆止弁）３７が設けられている。吸入側アンブレラ３６は、吸入側液溜室３２からポンプ室Ｐへの流体流を許してその逆の流体流を許さない吸入側逆止弁であり、吐出側アンブレラ３７は、ポンプ室Ｐから吐出側液溜室３３への流体流を許してその逆の流体流を許さない吐出側逆止弁である。

吸入側と吐出側のアンブレラ３６、３７は、同一（対称）構造であり、平面円形の傘部３６ａ、３７ａと、この傘部の中心の軸部３６ｂ、３７ｂとを備えている。弁座基板３６ｃ、３７ｃには、この軸部３６ｂ、３７ｂを受け入れて支持する軸孔３６ｄ、３７ｄと、この軸孔３６ｄ、３７ｄの周囲に位置する流路孔３６ｅ、３７ｅが穿設されており、これらの流路孔３６ｅ、３７ｅが傘部３６ａ、３７ａによって覆われている。

以上の圧電ポンプ１００は、シム１０ａと圧電体１０ｂの表面（圧電体１０ｂの表裏）の間に、駆動基板４０を介して、交番電界を印加することにより、圧電振動子１０は平面円形の中央部分の振幅が最も大きくなるように振動する。すると、ポンプ室Ｐの容積が拡大する行程では、吸入側アンブレラ３６の傘部３６ａが弁座基板３６ｃから離れる方向に弾性変形して流路孔３６ｅが開き、吐出側アンブレラ３６の傘部３６ａが弁座基板３６ｃに密着して流路孔３６ｅを閉じるため、吸入ポート３４、吸入側液溜室３２からポンプ室Ｐ内に液体が流入する。一方、ポンプ室Ｐの容積が縮小する行程では、吐出側アンブレラ３６の傘部３６ａが流路孔３６ｅを開き、吸入側アンブレラ３６の傘部３６ａが流路孔３６ｅを閉じるため、ポンプ室Ｐから吐出側液溜室３３、吐出ポート３５に液体が流出する。したがって、圧電振動子１０を正逆に連続させて弾性変形させる（振動させる）ことで、ポンプ作用が得られる。

そして、本実施形態によると、振動する圧電振動子１０のシム１０ａの周縁表裏には、同一径Ｄ部分においてＯリング１２と環状突起２１ａが接触している。つまり、環状突起２１ａによりＯリング１２の中心部を効果的に圧縮して液密（気密）を図ることができる。また、Ｏリング１２は環状（線状）にシム１０ａに接触しているため、圧電振動子１０（シム１０ａ）の変形（振動）を抑制することが少ない。よって、吐出液量を増大させ、ポンプ効率を高めることができる。また、本実施形態では、Ｏリング１２と環状突起２１ａはシム１０ａに接触し、圧電体１０ｂとは非接触である。このため、圧電体１０ｂの伸縮を阻害することなく、圧電振動子１０の振幅を大きくすることができる。

アッパハウジング２０に形成する環状突起２１ａの先端部断面形状は、以上の実施形態の半円形状の他、図４に示すように、三角形状としてもよい。先端部形状については自由度があり、環状突起２１ａの平面中心径を環状溝３１ａの平面中心径と一致させることにより、Ｏリング１２を十分圧縮して液密性を保持しつつ、圧電振動子１０の変形（振動）を容易にする。

ちなみに、従来品では、図５に示すように、圧電振動子１０の振動抑制防止の観点からアッパハウジング２０の環状突起２１ａに代えて、弾性環状シートからなる環状支持部材１１を設け、この環状支持部材１１とＯリング１２で圧電振動子１０（シム１０ａ）の表裏周縁を挟着していた。このため、別部材としての環状シール部材１１が必要であるばかりか、環状シール部材１１によって圧電振動子１０の変形が意図に反して抑制されていた。

以上の実施形態は、圧電振動子１０を振動するダイヤフラムとして用いた圧電ポンプに本発明を適用したものであるが、本発明は、圧電振動子以外のダイヤフラムを用いたポンプにも適用できる。

圧電振動子を有する圧電ポンプの一例を示す分解斜視図である。 同縦断面図である。 図２のIII部拡大断面図である。 環状突起２１ａの別の形状例を示す、図３に対応する拡大断面図である。 従来例を示す、図２に対応する拡大断面図である。

符号の説明

１０ 圧電振動子
１０ａ シム
１０ｂ 圧電体
１０ｃ 膜状金電極
１０ｄ 配線接続突起
１２ Ｏリング
２０ アッパハウジング
２１ａ 環状突起
３０ ロアハウジング
３１ 円形凹部
３１ａ Ｏリング収納用環状溝
３２ 吸入側液溜室
３３ 吐出側液溜室
３４ 吸入ポート
３５ 吐出ポート
３４ａ ３５ａ 開口端
３６ 吸入側アンブレラ
３７ 吐出側アンブレラ
Ｐ 可変容積室（ポンプ室）
Ａ 空気室

Claims (5)

1. ダイヤフラムと、このダイヤフラムを挟着して該ダイヤフラムの上下に空気室と可変圧力室を構成するアッパハウジング及びロアハウジングとを有し、該ダイヤフラムを振動させてポンプ作用を得るダイヤフラムポンプにおいて、
   上記ロアハウジングに、平面円形のダイヤフラムを嵌める円形凹部と、この円形凹部の周縁に位置する環状溝とを形成し、
   上記アッパハウジングに、上記環状溝と同一の中心と径を有し、ロアハウジングの上記円形凹部に嵌めたダイヤフラムに対し、上記環状溝に嵌めたＯリングの反対側において環状に接触する環状突起を形成したことを特徴とするダイヤフラムポンプ。
2. 請求項１記載のダイヤフラムポンプにおいて、上記環状突起の先端部断面は、半円形状または三角形状であるダイヤフラムポンプ。
3. 請求項１または２記載のダイヤフラムポンプにおいて、上記ダイヤフラムは、圧電振動子であるダイヤフラムポンプ。
4. 請求項３記載のダイヤフラムポンプにおいて、上記圧電振動子は、導電性金属薄板からなるシムの上記空気室側に圧電体層を積層したユニモルフ型圧電振動子であるダイヤフラムポンプ。
5. 請求項４記載のダイヤフラムポンプにおいて、上記圧電体層の径は、アッパハウジングの環状突起の径より小径で、該環状突起と上記Ｏリングは上記シムの表裏に接触するダイヤフラムポンプ。